Роторно-дисковый гомогенизатор

Изобретение относится к устройствам для перемешивания гетерогенных систем «жидкость-жидкость», «жидкость-твердые частицы» и может быть использовано в химической, пищевой и других отраслях промышленности. Роторно-дисковый гомогенизатор содержит корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, в котором соосно установлены диски ротора и статора с отверстиями. Каждое отверстие дисков ротора и статора выполнено в виде сегмента диска, усеченного двумя концентрическими окружностями. Площадь отверстий на дисках ротора и их расположение подчиняются системе уравнений, а площадь отверстий на дисках статора, их расположение и количество также подчиняются системе уравнений. Технический результат состоит в снижении пульсаций потока обрабатываемой среды в аппарате, а также уменьшении вибрации ротора и износа подвижных частей. 3 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для перемешивания гетерогенных систем «жидкость-жидкость», «жидкость-твердые частицы» и может быть использовано в химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известно устройство для обработки высоковязких материалов, содержащее выполненный в виде полуцилиндров корпус с загрузочным и разгрузочным отверстиями и параллельные вращающиеся валы с поперечными дисками, установленные на расстоянии, меньшем диаметра дисков в радиальном направлении, валы снабжены продольными лопастями, укрепленными по периферии дисков вблизи внутренней поверхности корпуса, и в дисках выполнены радиальные прорези для прохода продольных лопастей смежного вала. На плоских поверхностях дисков выполнены выступы, а валы выполнены полыми для подвода теплоносителя. [А.с. СССР №458115, кл. B01F 7/10, Устройство для обработки высоковязких материалов / Исао Хайаси, Кенитиро Кондо. Заявлено 26.04.71. Опубликовано 25.01.75].

Недостатком данного устройства для обработки высоковязких материалов является повышенное потребление энергии на обработку сред, ввиду наличия двух валов, а также сложность изготовления дисков.

Известен диспергатор, содержащий цилиндрический корпус с входной камерой, имеющей нагнетатель и распределитель, и с выходной камерой, подвижные и неподвижные диски, поочередно закрепленные соответственно на валу и на внутренней поверхности корпуса, при этом подвижные диски выполнены с ножевыми выступами, а неподвижные - с сегментными отверстиями, подвижные диски выполнены с сегментными отверстиями, расположенными около оси корпуса, неподвижные диски - с сегментными отверстиями на их периферии, а ножевые выступы - с заостренной передней кромкой, при этом все диски установлены с одинаковыми зазорами между ними. [А.с. СССР №1560287, кл. B01F 7/10, Диспергатор / Рассолов О.П., Батуров В.И., Бакшеев И.П., Браверманн П.Ф., Журавский В.Г., Фингер Г.Г. Заявлено 19.03.87. Опубликовано 30.04.90].

Недостатком данного диспергатора является сложность конструкции и низкая производительность устройства вследствие малой зоны обработки среды.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению (прототипом) является гомогенизатор, содержащий корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, в котором соосно установлены диски ротора и статора с отверстиями, отверстия на дисках ротора и статора расположены по противоположно направленным спиралям или спиралям Архимеда с шагом 1,1-1,3 диаметра отверстий. [А.с. СССР №1494956, кл. B01F 7/10, Гомогенизатор / Шкарупа В.Ю., Стороженко В.Я., Панин Ю.Г., Парамонов В.И., Лыков В.Н. Заявлено 11.05.87. Опубликовано 23.07.89].

Недостатком данного гомогенизатора является неравномерность открытия отверстий, через которые проходит обрабатываемый материал в любой момент времени обработки, что вызывает неравномерность движения смеси через представленное устройство, увеличивая тем самым вибрацию ротора и, соответственно, износ подвижных частей устройства при перемешивании гетерогенных систем «жидкость-жидкость», «жидкость-твердые частицы».

Предлагаемое изобретение решает задачу снижения пульсаций потока обрабатываемой среды в аппарате, а также уменьшения вибрации ротора и износа подвижных частей устройства при перемешивании гетерогенных систем «жидкость-жидкость», «жидкость-твердые частицы».

Указанная задача решается за счет того, что роторно-дисковый гомогенизатор содержит корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, в котором соосно установлены диски ротора и статора с отверстиями и, согласно изобретению, каждое отверстие дисков ротора и статора выполнено в виде сегмента диска, усеченного двумя концентрическими окружностями, причем площадь отверстий на дисках ротора и их расположение подчиняются системе уравнений:

а площадь отверстий на дисках статора, их расположение и количество подчиняются системе уравнений:

где S₁, S₂, S₃, S₄ - площадь отверстий диска ротора, м² (согласно фиг.2);

φ₁, φ₃ - образующие углы усеченных сегментов отверстий дисков ротора и статора, рад, (согласно фиг.2, 3);

r₁, r₂, r₃, r₄, r₅ - образующие радиусы концентрических окружностей усеченных сегментов отверстий дисков ротора и статора, м (согласно фиг.2, 3);

S - площадь отверстий диска статора, м² (согласно фиг.3);

n - положительное четное число (2, 4, 6 …);

k - количество отверстий на статоре;

π=3,14159.

На фиг.1 показан роторно-дисковый гомогенизатор.

На фиг.2 показано сечение диска ротора.

На фиг.3 показано сечение диска статора.

Роторно-дисковый гомогенизатор содержит корпус 1 с загрузочным 2 и разгрузочным 3 патрубками, в котором соосно установлены диски ротора 4 и статора 5 с отверстиями 6, причем каждое отверстие дисков ротора и статора выполнено в виде сегмента диска, усеченного двумя концентрическими окружностями, а площадь отверстий на дисках ротора и их расположение подчиняются системе уравнений:

а площадь отверстий на дисках статора, их расположение и количество подчиняются системе уравнений:

где S₁, S₂, S₃, S₄ - площадь отверстий диска ротора, м² (согласно фиг.2);

φ₁, φ₂ - образующие углы усеченных сегментов отверстий дисков ротора и статора, рад, (согласно фиг.2, 3);

r₁, r₂, r₃, r₄, r₅ - образующие радиусы концентрических окружностей усеченных сегментов отверстий дисков ротора и статора, м (согласно фиг.2, 3);

S - площадь отверстий диска статора, м² (согласно фиг.3);

n - положительное четное число (2, 4, 6 …);

k - количество отверстий на статоре;

π=3,14159.

Роторно-дисковый гомогенизатор работает следующим образом.

Под действием массовых сил или искусственно создаваемого избыточного давления обрабатываемая гетерогенная среда перемещается от загрузочного патрубка 2 к разгрузочному патрубку 3. При движении через отверстия дисков ротора 4 и дисков статора 5 гетерогенная среда подвергается интенсивному механическому воздействию, при этом компоненты среды эффективно перемешиваются.

Интенсивность механического воздействия достигается относительно высокой частотой вращения ротора, а также за счет возникновения значительных сдвиговых и деформационных воздействий на обрабатываемую среду.

С целью снижения пульсаций потока обрабатываемой среды в аппарате, а также уменьшения вибрации ротора и износа подвижных частей устройства при перемешивании гетерогенных сред расположение отверстий на дисках ротора и статора и форма отверстий выполнены таким образом, что в каждый момент времени обработки степень открытости, т.е. площадь совпадения отверстий ротора и статора, одинакова. Это достигается выполнением условий вышеприведенных систем уравнений.

Такой эффект достигается за счет того, что диск ротора и статора делится на сектора с углом в вершине, равным φ₂. На диске ротора, как показано на фиг.2, в каждом из двух смежных секторов концентрическими окружностями радиуса r₁, r₂, r₃, r₄, r₅ и углами φ₁, φ₂ образуются отверстия с площадью S₁, S₂, S₃, S₄. На диске статора в одном из двух смежных секторов концентрическими окружностями радиуса r₁, r₅ и углом φ₂ образуется отверстие с площадью S. Площадь каждого отверстия ротора и статора определяется исходя из известной зависимости для расчета площади сектора окружности по радиусу и углу и равна , таким образом, после математических преобразований в системах уравнений записаны уравнения для расчета S₁, S₂, S₃, S₄ и S. Т.к. в каждый момент времени обработки гетерогенной среды площадь совпадения отверстий ротора и статора одинакова, то в каждом из двух смежных секторов ротора отверстие статора перекрывает одинаковую площадь отверстий ротора. Это значит, что площади отверстий ротора в смежных секторах равны, т.е. S₁+S₃=S₂+S₄. Количество секторов на роторе, определяемое углом φ₂, должно быть четным, в виду наличия смежных секторов, т.е. . Т.к. на каждые два смежных сектора ротора приходится по одному отверстию статора, то их количество k, определяется как: .

Основное преимущество предлагаемого роторно-дискового гомогенизатора - снижение пульсаций потока обрабатываемой среды в аппарате, а также уменьшение вибраций ротора и износа подвижных частей устройства при перемешивании гетерогенных систем «жидкость-жидкость», «жидкость-твердые частицы».

Роторно-дисковый гомогенизатор, содержащий корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, в котором соосно установлены диски ротора и статора с отверстиями, отличающийся тем, что каждое отверстие дисков ротора и статора выполнено в виде сегмента диска, усеченного двумя концентрическими окружностями, причем площадь отверстий на дисках ротора и их расположение подчиняются системе уравнений:

а площадь отверстий на дисках статора, их расположение и количество подчиняются системе уравнений:

где S₁, S₂, S₃, S₄ - площадь отверстий диска ротора, м² (согласно фиг.2);
φ₁, φ₂ - образующие углы усеченных сегментов отверстий дисков ротора и статора, рад, (согласно фиг.2, 3);
r₁, r₂, r₃, r₄, r₅ - образующие радиусы концентрических окружностей усеченных сегментов отверстий дисков ротора и статора, м (согласно фиг.2, 3);
S - площадь отверстий диска статора, м² (согласно фиг.3);
n - положительное четное число (2, 4, 6 …);
k - количество отверстий на статоре;
π=3,14159.